大口径SiC反射镜的焊接加工和测试

　　0 引言

　　新一代的空间对地光学信息收集系统，不仅要求其具有高的地面像元分辨力， 还要有大的覆盖宽度。这使得光学系统不断向大口径、离轴化、高度轻量化的方向发展[1]，满足我国国防空间技术对光学系统的高质量、高分辨力和覆盖宽度的技术需要。其中，光学遥感相机的核心元件———优质轻型反射镜的制造一直影响着系统的研制和发展。

　　地面像元分辨力和覆盖宽度是衡量空间光学成像系统的重要指标[2]，在波段范围一定的情况下，只有通过增大系统孔径才能进一步提高系统的角分辨率和覆盖宽度。SiC 材料以其优越的光学性能、机械性能和热性能，成为目前空间大口径反射镜的首选。1m 口径的SiC 反射镜能满足大部分空间光学系统的要求[3]，但是在获得更大口径SiC 反射镜时， 如果直接制造整块SiC 镜体，不仅会大大增加成本，而且存在很大的风险，例如，出现镜体材料分布不均，抛光后局部出现气孔、裂缝等现象。如果将数块SiC 子镜采用焊接的办法进行连接再进行整体加工可解决这些问题。

　　在欧洲航天局HERSCHEL 空间望远镜计划中，由BOOSTEC 公司参与制造的3.5 m 口径主镜将成为世界上口径最大的空间光学成像主镜。它的质量仅为250 kg，由12 片扇形子镜焊接组成。相比之下，由ULE制成的直径为2.4 m 的哈勃望远镜主镜重829 kg，如果用同样的玻璃制造HERSCHEL 望远镜的主镜，质量将达到1 500 kg， 采用SiC 陶瓷材料让它的质量减轻了83%[4]。

　　1 焊接SiC 反射镜及其残余应力的分析

　　作为大口径(直径1 m 以上)焊接SiC 反射镜的演示论证工件， 笔者制作了一块直径为600 mm 的焊接SiC 反射镜( 参数见表1)， 首先将3 块扇形子镜焊缝接口平面用金刚石微粉抛光处理后， 使用热胀系数与SiC 最接近的合金材料， 采用扩散焊接的办法将反射镜焊接组成直径612 mm 的圆形平面反射镜。

　　为了获得焊接SiC 反射镜的加工参数和工艺过程，将反射镜加工到RMS 值1/20λ(λ=632.8 nm)。加工参数如表1 所示。

　　空间用反射镜的镜面形状和尺寸必须保持很好的稳定性，这就要求在制备过程中，反射镜坯体应该始终保持较小的内应力，以保证后续加工和使用的精度。焊接SiC 反射镜的过程中存在大量的残余应力，具有以下特点：

　　(1) 它在材料内部平衡， 即在一个平面上的拉压绝对值相等。

　　(2) 不稳定，当它在材料内部一处发生变化，为力求平衡其他处也发生变化。特别是受到振动、热冲击等外界作用，残余应力释放，导致镜面变形。